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非制冷红外焦平面 杨珂 红外成像的概述 非制冷型红外探测器 非制冷型红外焦平面阵列原理 红外成像的概述 红外热成像系统 能够摄取景物红外辐射分布图像 并将其转换为人眼可见视图的装置 电子学组件 红外望远镜 光学机械扫描器 红外探测器组件 软件及相关算法 红外成像的概述 红外探测器 光子型红外探测器 非制冷红外探测器 采用窄禁带半导体材料 如HgCdTe InSb等 利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换 因而需要工作在77K或更低的温度下 缺点 体积大 价格昂贵 制备困难 兼容性差 非制冷红外探测器 根据红外探测器组件的不同 非制冷型热成像仪可分为三类 第一代热释电摄像机 红外热释电摄像管 第二代凝视型 非制冷凝视焦平面探测器 第三代扫描性 非制冷线列焦平面探测器 非制冷红外探测器 非制冷红外成像的历史与发展 非制冷红外探测器 非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应 由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能 引起敏感元件温度上升 敏感元件的某个物理参数随之发生变化 再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号 其核心部件是红外焦平面阵列 IRFPA 非制冷型红外焦平面阵列原理 非制冷IRFPA 电学读出方式 光学读出方式 热敏电阻型 热释电型 热电堆型 二极管型 热电容型 应用光力学效应的非制冷IRFPA 基于F B腔阵列的非制冷IRFBA 非制冷型红外焦平面阵列原理 3 1热敏电阻型利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱探测材料 氧化钒 非晶硅 钛 钇钡铜氧等 非制冷型红外焦平面阵列原理 热敏电阻型红外探测器结构 非制冷型红外焦平面阵列原理 通常定义红外探测器的响应率R为输出信号 电流或电压 除以输入辐射能量 假定输出信号 则 2 1 3 式中是通过探测像素的偏置电流 是输入辐射能量又由热能量公式可知 2 1 4 2 1 5 非制冷型红外焦平面阵列原理 因此 信号电压 2 1 6 响应率 2 1 7 衡量系统噪声 噪声等效温差 NETD 当带有焦平面阵列的成像系统的视场中的大的黑体温度发生变化时 能引起阵列输出的信噪比以及读出电路信号产生最小单位的变化 则此温度的变化量即为NETD 非制冷型红外焦平面阵列原理 3 2热释电型红外辐射使材料温度改变 引起材料的自发极化强度变化 在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷 通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱探测材料 硫酸三甘肽 钽酸锂 钽铌酸钾 钛 铁电 酸铅 钛酸锶铅 钽钪酸铅 钛酸钡 非制冷型红外焦平面阵列原理 热释电效应 在热平衡条件下 电介质因自发极化要产生表面束缚电荷 这种电荷被来自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所补偿 其电不能显现出来 当温度发生变化 由温度变化引起电介质的极化状态的改变不能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补偿 使电介质对外显电性 Ps p T 具有自发极化的晶体 钛酸钡的结构 钙钛矿型结构 非制冷型红外焦平面阵列原理 下图是典型的热释电红外焦平面单元的电路连接示意图 若用调制频率为f的红外辐射照射热释电近体 则晶体温度 自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷密度均随频率f发生周期性变化 如果1 f T 小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间 那么在垂直于自发极化强度的两个断面间就会产生交变开路电压 通过负载连成闭合回路 就会在回路中有电流流过 而且在负载的两端产生交变的电压信号 完成光电转换 非制冷型红外焦平面阵列原理 3 2 1理论参数分析居里温度也称磁性转变点 是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度 即铁电体从铁电相转变成顺电相的相变温度 也可以说是发生二级相变的转变温度 低于居里点温度时该物质成为铁磁体 此时和材料有关的磁场很难改变 当温度高于居里点温度时 该物质成为顺磁体 磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变 假设在居里温度附近 低于 红外辐射引起相元的变化为 由此引起的电流为 即回路电流的表达式 为 2 2 1 其中A为像素面积 p为热释电系数 非制冷型红外焦平面阵列原理 由于热释电探测器是电容性的 需考虑探测单元的电容 则热释电输出信号电压为 从而 探测单元响应率为 如果照射热释电晶体是没有经过调制的红外辐射 则辐射使晶体的温度升高到新的平衡值 同时电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值 不再 释放电荷 也就不再有输出信号 非制冷型红外焦平面阵列原理 因此 热释电红外探测器与其他探测器不同 它只有在温度升降的过程中才有信号输出 所以利用热释电探测器时红外辐射必须经过调制 在实际系统中 通常使用调制盘来调制红外辐射 介电热释电材料主要有两类 1 热电型 特点是极化强度方向能随外加电场而改变 2 热电 非铁电体 特点是自发极化方向不能随外电场改变 热释电红外焦平面所用的材料通常属于热电 铁电体 非制冷型红外焦平面阵列原理 3 3热电堆型由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路 当两接触点处的温度不同时 由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动 在温度低的一端形成电荷积累 回路中就会产生热电势 这种现象称为Seebeck效应 而这种结构称之为热电偶 一系列的热电偶串联称为热电堆 其示意图如右所示 因而 可以通过测量热电堆两端的电压变化 探测红外辐射的强弱 非制冷型红外焦平面阵列原理 目前用于热电堆型非制冷红外焦平面阵列的热电偶有 1 P型多晶硅和金热电偶 2 Si外延层P型扩散区和铝热电偶 3 N型和P型的多晶硅热电偶 其中 N型和P型多晶硅热电偶 是当前研究的比较深也是最有前途的探测材料 非制冷型红外焦平面阵列原理 3 4二极管型这种红外探测技术利用半导体PN结具有良好的温度特性 与前面所述的各种非制冷红外探测器不同 这种红外探测器的温度探测单元为单晶或多晶PN结 与CMOS工艺完全兼容 易于单片集成 非常适合大批量生产 非制冷型红外焦平面阵列原理 3 5热电容型这种非制冷红外焦平面阵列首先由美国橡树岭国家实验室在上世纪90年代中期提出 随后Samoff SarconMicrosystems公司继续研发 这种技术采用热膨胀系数不同的两种材料的薄膜黏合在一起形成双材料薄膜 它随着温度的变化而发生弯曲 非制冷型红外焦平面阵列原理 例如可以采用金属铝和氮化硅薄膜组成双材料微悬臂梁 氮化硅在红外辐射下吸收热量并且温度升高 导致微悬臂梁发生弯曲 在硅衬底上淀积的一层铝与微悬臂梁上的铝形成一个可变电容 微悬臂梁的弯曲使电容的大小发生改变 通过集成在探测器上的CMOS读出电路测出电容的改变 从而探测出红外辐射的强弱 非制冷型红外焦平面阵列原理 光学读出非制冷红外焦平面光学读出方式是一种全新的红外探测技术 与传统的电学读出红外探测技术相比 它具有一系列潜在的优点 1 采用光学读出 利用光学原理实现像增强与像转换 整个系统是全光系统 不需要复杂而庞大的读出电路 2 具有可视性 可以用眼睛而不用其他任何接受装置观察到红外图像 3 探测灵敏度高 其理论预测探测灵敏度极限可以达到 k量级 4 潜在的价格优势明显 具有高性价比的潜力 非制冷型红外焦平面阵列原理 4 1应用光力学效应的焦平面阵列当FPA单元吸收入射的红外辐射产生温升时 由于组成微悬臂梁的双材料热膨胀系数存在差异 梁会产生弯曲变形或离面位移 每个像素的温升不同 产生的转角变化或离面位移也就不同 再利用光学检测系统读出这些转角变化或离面位移 并把这些信号转化成相应辐射源的热图像 非制冷型红外焦平面阵列原理 优点 非制冷型红外焦平面阵列原理 4 2基于F B微腔阵列型F B干涉型光学读出热成像系统的工作机理是红外热效应 双金属片效应和光的干涉原理 利用双材料梁由于红外热效应和双金属片效应而产生的位移对可见光的强度进行调制 从而将红外图像直接转化为可见光图像 非制冷型红外焦